清华大学突破碳纳米管制备技术，为高性能计算带来新机遇
清华大学突破碳纳米管制备技术，为高性能计算带来新机遇
近日，清华大学化工系魏飞教授研究组在碳纳米管领域取得重大突破，成功开发出原位缠绕超长碳纳米管线团技术。这一创新性成果为制备高密度、手性一致的碳纳米管提供了全新解决方案，有望推动碳基电子器件的快速发展。
碳纳米管作为一种具有优异电学性能的新型材料，被认为是下一代半导体材料的理想选择。然而，如何制备大量手性一致、高密度的碳纳米管一直是制约其规模化应用的关键难题。IBM曾指出，要实现高性能碳纳米管晶体管，其半导体纯度需达到99.9999%，密度应达到125根每微米。
魏飞教授团队的突破性进展在于，他们首次实现了将全同手性、宏观长度的单根超长碳纳米管缠绕成大面积线团。研究团队通过向超长碳纳米管所处的稳定层流生长体系中引入低频声波，使得漂浮的超长碳纳米管在涡流作用下自发缠绕成平方毫米级面积的线团。这一过程符合自然界中描述鱼摆尾或鸟挥翅产生推进力的斯特鲁哈尔数模型，遵循最小能量耗散机制。
这种单色碳纳米管线团具有全同手性结构，在超连续激光激发下呈现单一颜色。基于此，研究团队成功制备出高开关比（103~106）且输出电流高达4.4毫安的晶体管器件，创造了目前基于单根碳纳米管的晶体管最高输出电流记录。
与此同时，北京大学彭练矛-张志勇团队在碳纳米管应用领域也取得了重要进展。他们成功研发出世界首个基于碳纳米管的张量处理器芯片（TPU），该芯片由3000个碳纳米管场效应晶体管组成，采用脉动阵列架构并行执行卷积和矩阵乘法运算。系统模拟结果显示，采用180纳米技术节点的碳基晶体管频率可达850MHz，能效超过1TOPS/W，显著优于同技术节点的其他器件技术。
这些突破性成果不仅展示了中国在碳纳米管研究领域的领先地位，更为未来高性能计算和低功耗应用提供了新的技术路径。随着相关技术的不断发展和完善，碳纳米管有望在下一代半导体材料中发挥重要作用，为全球信息技术产业带来革命性变革。